이 글에서는 컴퓨터의 CPU와 그래픽 카드처럼 뜨거운 전자 부품의 소손을 막아주는 필수 냉각 부품인 방열판을 제작하는 여러 공정에 대해 설명합니다. 엔지니어들이 이러한 쿨러가 완벽하게 작동하도록 하는 방법을 보여드리겠습니다.
방열판이란 무엇입니까?
히트싱크는 장비의 작동 열을 전달하여 정상적인 작동을 유지하는 장치로, 컴퓨터 CPU, GPU 등의 부품에 적용됩니다. 냉각 방식에 따라 공랭식, 수랭식, 히트파이프 등 여러 유형으로 나뉩니다. 주요 소재는 구리와 알루미늄 합금이며, 물론 그래핀, 열 플라스틱, 세라믹과 같은 비금속 소재도 있습니다. 열 방출은 열전도, 대류, 복사의 상호작용을 통해 이루어집니다. 제조 공정에는 알루미늄 압출, 구리-알루미늄 접합 등의 기술이 사용됩니다. 핀의 설계 및 제조는 방열 효율에 직접적인 영향을 미칩니다.
히트싱크 재료
방열판에 주로 사용되는 재료는 구리와 알루미늄 합금입니다.
- 구리: 구리의 열전도도는 380~420W/mK로 알루미늄 합금보다 훨씬 뛰어납니다(알루미늄 합금의 열전도도는 150~250W/mK입니다). 구리는 주로 성능이 가장 중요한 고급 열 관리 애플리케이션에 사용되며, 여기에는 AI 컴퓨팅 서버, 고전력 RF 장치, 프리미엄 가전 제품, GPU/CPU 냉각 등이 포함됩니다.
- 알루미늄 합금: 알루미늄 방열판은 주로 전력 시스템, 태양광 발전, 자동차, 통신 기지국과 같이 열 요구 사항은 비교적 낮지만 구조적 무결성과 경량화에 대한 요구가 높은 대규모 환경 응용 분야에 사용됩니다.
- 비금속 재료: 그래핀 기반 열가소성 플라스틱 및 세라믹(예: 탄화규소, 질화붕소)을 포함한 다른 재료도 사용됩니다.
최근 그래핀 기반 알루미늄, 다이아몬드/알루미늄 복합재, 다이아몬드/구리 복합재 등 새로운 금속 매트릭스 복합 소재가 등장했습니다.
- 그래핀 기반 알루미늄: 이 소재는 제련 공정을 통해 알루미늄을 개질하여 생산됩니다. 알루미늄 합금의 열전도도를 향상시킬 뿐만 아니라, 뛰어난 구조적 특성과 경량성의 장점을 유지합니다. 현재 그래핀 기반 알루미늄은 300~350 W/mK의 열전도도를 달성할 수 있습니다.
- 다이아몬드/알루미늄 복합재: 다이아몬드는 이론상 최대 2000 W/mK의 열전도도를 가지고 있습니다. 알루미늄을 다이아몬드로 개질하면 복합재의 열전도도가 크게 향상되어 현재 500~600 W/mK에 이릅니다. 그러나 더 높은 열전도도를 달성하려면 다이아몬드 함량이 높아야 하며, 이는 알루미늄의 구조 및 가공 성능에 부정적인 영향을 미치고, 다이아몬드의 높은 가격은 전반적인 제품 비용 효율성에도 영향을 미칩니다.
- 다이아몬드/구리 복합재: 다이아몬드의 높은 열전도도를 활용하여 구리를 개질하면 구리의 열 성능이 크게 향상됩니다. 다이아몬드/구리 복합재는 현재 다이아몬드 충전량에 따라 600~1000 W/mK의 열전도도를 달성할 수 있습니다.
7가지 방열판 제조 공정
방열판을 제조하는 데에는 다음을 포함한 여러 가지 기술이 있습니다.
1. CNC 가공
CNC 가공 단일 프로세스가 아닌 기술 플랫폼입니다. 설계자가 만든 디지털 3D 모델은 특수 소프트웨어를 통해 기계가 읽을 수 있는 명령(일반적으로 G 코드)으로 변환됩니다. 그런 다음 CNC 시스템이 모터와 절삭 공구를 정밀하게 제어하여 금속, 플라스틱, 목재 등의 소재에 대한 절삭, 조각, 드릴링 및 기타 작업을 자동으로 수행하여 디지털 모델과 동일한 물리적 부품을 생성합니다.
주요 CNC 가공 공정으로는 CNC 밀링(공구 회전, 공작물 고정)과 CNC 터닝(공구 회전, 공구 고정 및 이동)이 있습니다. 그 외에도 CNC 드릴링, 연삭, 와이어 커팅 등이 있습니다.
- 고급 가공: 다축 가공은 고급 CNC를 대표합니다. 3축 가공은 부품의 윗면과 측면만 가공하는 기본 가공으로, 복잡한 곡면이나 언더컷은 가공할 수 없습니다. A축(X축 회전)과 C축(Z축 회전)을 갖춘 5축 가공은 공구가 어느 방향에서든 공작물에 접근할 수 있도록 하여 매우 복잡한 형상(예: 임펠러, 항공우주 구조 부품)을 매우 정밀하고 효율적으로 가공할 수 있도록 합니다.
- 장점: CNC는 매우 높은 정밀도와 반복성을 제공하여 미크론 수준의 공차를 쉽게 달성하고 동일한 부품을 일관되게 생산할 수 있습니다. 일반적으로 방열판의 시제품 제작 단계와 다이캐스트 또는 단조 방열판의 바닥을 밀링하여 열원에 대한 평탄도를 확보하는 데 사용됩니다.
- 단점: "삭감 제조" 공정이기 때문에 절단 시 일정량의 재료 낭비가 발생합니다.
2. 알루미늄 압출
이 공정에서는 알루미늄 빌릿을 연화 상태(용융점인 660℃보다 약 400~500℃ 낮은 온도)로 가열합니다. 강력한 유압력(최대 수천 톤)을 사용하여 연화된 알루미늄을 특정 단면 형상(다이 홀)을 가진 다이를 통해 밀어넣습니다. 이렇게 다이의 단면 형상과 일치하는 무한히 긴 프로파일이 생성됩니다. 마지막으로, 프로파일은 필요한 길이로 절단되고 후가공(예: 절단, CNC 밀링, 태핑)을 거칩니다.
- 장점: 알루미늄 압출 비용이 저렴하고 대량 표준화 생산에 적합합니다. 시중에서 가장 널리 사용되는 방열판 공정으로, 대부분의 저전력 CPU 공랭 쿨러와 일반 알루미늄 프로파일 방열판의 핀 부분에 사용됩니다.
- 제한 사항: 지느러미의 종횡비(높이 대 두께 비율)가 제한되어 매우 얇고 높은 지느러미를 만드는 것이 불가능합니다.
3. 다이 캐스팅
다이 캐스팅 알루미늄 합금을 용광로에서 완전히 녹을 때까지 가열합니다. 그런 다음, 사출 장치가 액체 알루미늄을 고속 고압으로 정밀한 두 부분으로 구성된 강철 금형에 주입하여 빠르게 냉각시키고 응고시킵니다.
- 장점: 일체형 성형이 가능하여 GPU 쿨러 하우징이나 고도로 통합된 칩 냉각 모듈 등 복잡한 모양과 견고한 구조의 방열판을 생산할 수 있다는 장점이 있습니다.
- 제한 사항: 이 공정은 다공성, 수축과 같은 결함이 발생하기 쉽고, 그 결과 열전도도가 약간 낮아집니다.
4. 단조
단조는 대장장이가 철을 두드리는 것과 유사한 기계화된 금형 기반 공정입니다. 알루미늄 합금 소재를 단조 온도(일반적으로 녹는점보다 낮지만 뛰어난 가소성을 가짐)까지 가열하여 단조 금형의 아래쪽 절반에 놓습니다. 금형의 위쪽 절반은 단조 기계에서 발생하는 엄청난 압력으로 빠르게 닫히면서 소재에 충격을 가하거나 압착하여 금형 캐비티 전체를 채우고, 원하는 모양과 크기를 형성합니다.
장점: 용융이 아닌 소성 변형을 수반하므로 내부 금속 입자가 변형 방향을 따라 유동하고 미세화되어 치밀한 구조를 형성합니다. 단조 부품은 일반적으로 다이캐스팅 부품에 비해 기계적 강도와 열전도도가 우수합니다.
5. 스탬핑
스탬핑은 펀치 프레스와 특수 다이를 사용하여 금속판(보통 코일이나 블랭크)에 압력을 가해 분리하거나 소성 변형시켜 원하는 모양과 크기를 얻는 냉간 가공 공정입니다.
방열판의 주요 응용 분야:
히트싱크 핀 제조: 가장 중요하고 규모가 큰 분야입니다. 대부분의 중급 및 고급형 공랭식 쿨러에 사용되는 고밀도 핀은 스탬핑 방식으로 제작됩니다. 스탬핑을 통해 핀에 다양한 기능적 구조를 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 버클 핀용 잠금 장치, 공기 흐름 가이드, 무게 감량 구멍 등 알루미늄 압출 방식으로는 구현이 불가능합니다.
구조 및 보조 부품 제조: 여기에는 방열판을 CPU/마더보드에 장착하기 위한 금속 브래킷, 스프링 나사 베이스(종종 고강도 강철 또는 스테인리스 강철로 제작), 팬 고정 클립, 장식용 커버가 포함됩니다.
장점: 스탬핑은 매우 높은 생산 효율을 제공합니다. 최신 고속 프레스는 분당 수백 개에서 수천 개의 매우 일관된 부품을 생산할 수 있습니다. 금형 제작 후 부품당 비용이 매우 낮아 대량 생산에 이상적입니다.
한계: 정밀 프로그레시브 다이 설계 및 제조 비용이 높기 때문에 대량 생산에만 적합합니다. 이 공정은 얇은 판금 부품에만 적용되며, 방열판 베이스와 같은 견고하고 무거운 3D 부품은 생산할 수 없습니다.
6. 와이어 커팅
와이어 절단 서비스와이어 방전 가공(WEDM)은 연속적으로 움직이는 매우 얇은 금속 와이어(일반적으로 몰리브덴 또는 구리)를 전극으로 사용합니다. 와이어와 가공물 사이에 펄스 스파크 방전이 발생하여 순간적인 고온이 발생하고, 이 고온이 금속을 국부적으로 용융 및 기화시켜 절단을 수행합니다.
전극선과 가공물은 미세 방전 간격을 유지하여 직접적인 물리적 접촉이 없습니다. 따라서 절삭력이 최소화되어 가공물 변형을 방지하고 매우 얇거나 변형되기 쉬운 부품의 가공이 가능합니다. 또한, 경도에 관계없이 모든 전도성 재료를 절단할 수 있습니다.
- 히트 싱크 적용: 가장 광범위하고 중요한 용도는 금형 제조입니다. 와이어링 다이(WEDM)는 핀 스탬핑에 사용되는 프로그레시브 다이의 복잡하고 고정밀 펀치 및 다이 인서트를 제작하는 데 선호되는 방식입니다. 이러한 인서트는 매우 단단하고 내마모성이 뛰어난 공구강(예: SKD11, DC53)으로 제작되므로, 기존의 기계적 방식으로는 가공이 어렵고, 특히 날카로운 모서리와 미세한 틈새를 형성하는 데 어려움이 있습니다.
- 한계: 스탬핑이나 압출과 같은 대량 생산 공정에 비해 가공 속도가 느립니다. 또한 전극 마모가 발생하는데, 이는 와이어가 빠르게 움직이는 경우 더욱 두드러지지만, 와이어가 느리게 움직이는 경우 다중 절단 기술을 통해 이를 보완합니다.
7. 스키브드 핀
스카이빙 또는 스카이빙 핀은 얇은 금속 핀을 제조하는 특수 절삭 공정입니다. 스탬핑(소재 분리)이나 압출(다이를 통해 소재를 밀어내는)과 달리, 스카이빙은 특수 스카이빙 블레이드를 사용하여 고정된 베이스 플레이트를 정밀하게 깎습니다. 절삭 시, 블레이드는 제거된 금속을 스크랩으로 절단하는 대신 수직 핀 형태로 깎아냅니다. 이 공정은 다음과 같은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.
접촉 열 저항 제로: 핀과 베이스는 단일 블록 소재에서 "성장"되어 완전한 모노리스(monolith)를 형성합니다. 이를 통해 베이스에서 핀 팁으로 원활한 열 전달이 보장되어 기계적 접합이나 용접으로 인한 접촉 열 저항이 없습니다. 이것이 바로 스카이브드 핀 히트 싱크의 탁월한 성능을 보장하는 근본적인 이유입니다.
높고 얇으며 밀도가 높은 핀: 툴링 및 공정 매개변수를 조정하여 매우 큰 종횡비(높이 대 두께 비율)의 핀을 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 두께가 0.2mm에 불과하고 높이가 20mm를 초과하는 고밀도 핀 배열을 쉽게 제작할 수 있는데, 이는 알루미늄 압출로는 달성할 수 없는 수준입니다. 최소 핀 두께/간격은 약 0.08mm로 알려져 있지만, 높이는 2~3mm로 제한됩니다.
뛰어난 구조적 강도와 강성: 일체형 구조로 인해 핀 뿌리가 매우 강하고 진동이나 충격으로 인한 변형에 덜 민감하여 "관통 핀"이나 "버클 핀" 조립보다 훨씬 더 큰 안정성을 제공합니다.
설계의 유연성: 동일한 방열판에 높이와 간격이 다른 핀을 설치하여 공기 흐름과 열 효율을 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 핵심 열원 위에 핀을 더 높고 조밀하게 배치할 수 있습니다.
응용 분야: 스키브드 핀 방열판은 주로 고전력 칩 공기 냉각기 및 액체 냉각 헤드의 마이크로채널 냉각판과 같이 극한의 열 성능과 안정성을 요구하는 응용 분야에 사용됩니다.
방열판 표면 마감
처리되지 않은 금속 방열판 표면은 거친 구조를 가지고 있어 열 전달을 방해합니다. 또한, 산화막은 절연체 역할을 하며, 금속 자체는 혹독한 환경에서 부식되기 쉽습니다. 표면 처리는 이러한 문제를 해결합니다.
아노다이징 처리
아노다이징 서비스 알루미늄 및 알루미늄 합금 방열판에 적합합니다. 일반적으로 황산 환경에서 외부 전류를 인가하여 방열판 표면에 산화막을 형성합니다. 이를 통해 알루미늄 합금의 표면 경도 및 내마모성 결함을 효과적으로 보완합니다. 기존의 정전 분체 도장과 달리 아노다이징은 방열판의 냉각 효과에 영향을 미치지 않아 제조업체에서 널리 사용됩니다.
- 장점: 높은 경도, 내마모성 및 내부식성, 우수한 절연성(파괴 전압 200V 이상, 다양한 색상(일반적으로 검은색) 제공). 공정이 성숙되고 안정적이며 비용 관리가 용이합니다.
- 단점: 산화막으로 인해 열 저항이 발생하여 최종 방열 성능에 약간의 영향을 미칩니다(전반적인 성능은 우수하지만). 색상은 주로 검은색이며, 다른 색상은 효과가 다소 떨어질 수 있습니다.
- 응용 분야: CPU/GPU 쿨러 핀과 베이스의 주요 선택입니다.
전기 도금
전기 도금 방열판의 금속 표면에 다른 금속이나 합금의 얇은 층을 증착하는 공정입니다. 이 공정은 표면 산화를 방지하고 내마모성, 전도성, 반사율, 내부식성 및 미관을 향상시킵니다. 보호 및 장식용 표면을 제공하는 경제적이고 과학적인 방법입니다.
- 니켈 도금: 뛰어난 내식성과 은백색의 질감 있는 외관을 제공합니다. 구리 베이스나 커넥터를 보호하는 데 일반적으로 사용됩니다. 코팅이 균일하여 복잡한 형상에도 적합하지만, 너무 두껍게 코팅하면 열 효율이 저하될 수 있습니다(니켈의 열전도율은 90 W/mK입니다).
- 크롬 도금: 높은 경도와 높은 반사율을 제공하여 열 복사에 효과적입니다. 광택이 있어 장식 부품에 자주 사용됩니다.
- 은 도금: 이론적으로 429 W/mK의 뛰어난 열전도도를 제공하며, 이는 순수 구리의 398 W/mK에 근접하지만 비용이 높습니다. 주로 항공우주 및 RF 장치와 같은 최고급 또는 특수 용도에 사용됩니다.
마이크로아크 산화
마이크로 아크 산화 는 양극 산화 처리의 한 발전된 기술로, 우수한 코팅을 형성합니다. 전해질과 전기적 매개변수를 일치시킴으로써 아크 방전은 순간적인 고온 고압을 발생시켜 밸브 금속(알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등)과 그 합금 표면에 변형된 세라믹 코팅을 형성합니다. 이 코팅은 주로 기본 금속 산화물로 구성되며, 전해질 성분이 첨가되어 부식 방지 및 내마모성이 기존 코팅보다 훨씬 우수합니다. 전통적인 양극산화.
- 장점: 매우 높은 경도(세라믹에 근접), 최고 수준의 내마모성 및 내부식성, 우수한 절연성, 그리고 필름과 기판 사이의 견고한 결합. 알루미늄 합금의 표면 방사율을 크게 높일 수 있습니다.
- 단점: 비용이 많이 듭니다. 필름이 비교적 두꺼워서 열전도율이 양극 산화 처리보다 낮아 냉각 효율에 부정적인 영향을 미칩니다. 색상은 일반적으로 회백색 또는 진회색입니다.
- 용도: 특정 군사, 항공우주 또는 혹독한 산업 환경의 방열판과 같이 마모 및 내부식성에 대한 요구가 매우 높은 특수한 열 시나리오에서 자주 사용됩니다.
Getzshape가 어떻게 도움이 될 수 있습니까?
Getzshape는 알루미늄, 구리 또는 기타 첨단 소재로 방열판을 생산하는 데 있어 필수적인 제조 파트너입니다. Getzshape는 인증된 네트워크와 자체 생산 시설을 활용하여 CNC 가공을 비롯한 모든 공정을 처리할 수 있습니다. 다이 캐스팅 서비스고성능 방열판에 필요한 와이어 방전가공(Wire EDM)을 통해 최종 부품이 차세대 열 효율 달성에 필요한 요구 사항을 충족하도록 보장합니다.
